淺談節水灌溉技術—膜孔灌溉

淺談節水灌溉技術
 —膜孔灌溉
葛強1，李盼盼2
（1.德州黃河河務局，山東 德州 251100；2.河海大學現代農業工程系  南京  210098）
摘  要：膜孔灌溉技術是在地膜栽培的基礎上發展起來的一項新的節水灌溉技術，具有節水 、增產、提高灌水均勻度等優點。本文從目前國內的研究現狀、膜孔灌溉的特點、技術要素、形式、適用范圍及應注意的問題等幾個方面進行了闡述，以為膜孔灌溉技術的大面積推廣和應用提供一定的理論及技術依據。
關鍵詞：膜孔灌溉技術  研究現狀  技術要素  適用范圍
 我國是一個水資源短缺的國家, 尤其是西北干旱地區水資源短缺更為突出。因此合理開發與利用有限的資源就成為我國改善人民生活及發展國民經濟的重要任務。而如何在農業生產上更加合理有效的利用水資源也是其中之一。
 在農業用水中, 農田灌溉用水始終是一個用水大戶, 一般要占80% 以上。因此開展節水灌溉對緩解日益突出的水資源供需矛盾有著十分重要的戰略意義。雖然我國在推行節水灌溉方面已取得了一定成效，但由于地面灌溉仍占主導地位(占97% ) ,且絕大多數仍沿用傳統的地面灌溉技術, 水的浪費現象依然十分嚴重, 水的利用系數只有0.4, 節水潛力極大。因此積極研究與推廣先進的節水型地面灌溉技術即成為當務之急。
 做為地面節水灌水技術, 我國在70 年代前后提出了小畦灌、長畦分段及細流溝灌等, 長期來在節約灌溉水方面起到了一定作用。近年來，結合北方干旱地區的自然與生產實際,膜孔灌溉技術越來越引起人們的重視。
 膜孔灌溉技術是在地膜栽培的基礎上發展起來的一項新的節水灌溉技術, 是在田間將地膜平鋪或起壟覆蓋, 實現利用地膜輸水, 并通過作物的放苗孔、專門灌水孔等的入滲進行灌溉的灌水方法。傳統的地面灌溉, 由于無法對灌溉水流推進與入滲的土壤界面特性進行調控, 因此灌水定額已定情況下, 只能通過調節入畦(溝) 流量和灌水時間以求達到最佳的灌水質量。這在實踐中往往很難實現。而波涌灌溉, 是通過間歇向畦(溝) 灌水的方式來改變各灌水周期的土壤界面特性(即表土致密層的形成與發展) , 為下一周期加快水流推進和減少入滲能力創造一個新的界面, 從而達到節水與提高灌水質量的目的, 這就較傳統的地面灌水技術有了重大突破。膜孔灌是在利用地膜種植的同時, 為灌溉提供了一個可以根據灌水要求而自行設計與調控的人工界面。這個界面不僅較傳統地面灌的田面土壤特性和波涌灌所形成的致密層特性更為簡單而又穩定, 并且更重要的是為加快水流推進、實現局部灌溉和小定額灌水以及提高灌水效益提供了重要條件。由此可見, 膜孔灌是地面灌水技術研究中的又一重要突破。本文就膜孔灌溉技術的研究現狀、節水機理、使用形式以及在實際應用過程中所存在的問題和解決方法進行了闡述, 以期為膜孔灌溉技術的大面積推廣和應用提供一定的理論及技術依據。
我國膜孔灌溉技術的研究現狀
 膜孔灌溉是80 年代后期我國新疆地區在地膜栽培基礎上發展起來的一種新型節水地面灌溉技術。多年來的實踐證明, 不僅具有地膜種植的所有優點, 而且還具有顯著的節水、增產和防止土肥流失等效果。近年來，為了使該技術更好的應用于生產，國內對該灌水技術在多方面進行了研究試驗。
1.1 膜孔灌溉入滲規律的研究
 繳錫云等進行了單點膜孔入滲特性的試驗研究，結果表明:單點膜孔的累積入滲量變化過程符合Kostiakov 模型；相對入滲參數(單點膜孔入滲參數與垂直一維入滲參數之比值) 與膜孔直徑具有顯著的相關關系；單點膜孔的濕潤深度小于垂直一維入滲的濕潤深度, 并且相對濕潤深度(單點膜孔的濕潤深度與垂直一維入滲的濕潤深度之比值) 與膜孔直徑具有顯著的相關關系；單點膜孔入滲的表面濕潤半徑與入滲歷時符合冪函數關系, 并與膜孔直徑存在著顯著的相關關系；在相同入滲歷時的情況下, 與垂直一維入滲相比, 膜孔入滲的濕潤土體平均含水率較小。
 費良軍等研究了在充分供水條件下單點膜孔入滲濕潤特性。發現在充分供水條件下, 沙性土壤單點膜孔入滲濕潤鋒在垂直方向的推移速度較水平方向的快, 同一入滲歷時的垂直濕潤深度較水平濕潤距離大, 其濕潤體形狀近似為長橢球體；充分供水單點膜孔入滲垂直濕潤鋒和水平濕潤鋒推移長度與入滲歷時之間為冪函數關系；根據水量平衡原理建立了濕潤體內平均含水量的計算公式, 由此可以預測濕潤體內含水量的變化。
 費良軍等進行了膜孔灌多點源交匯入滲影響因素試驗研究。試驗發現多點源膜孔交匯入滲主要受膜孔直徑、膜孔間距、土壤容重、土壤質地以及土壤初始含水率的影響；多點源膜孔交匯入滲量隨膜孔直徑的增大而增大, 單位膜孔面積入滲量隨膜孔面積的增大而減小, 交匯時間隨膜孔直徑增大而減小, 而膜孔間距壤質地愈粗, 其膜孔交匯入滲能力愈大, 交匯時間愈短； 土壤容重愈大, 其交匯入滲能力愈小； 在其它條件相同情況下, 土壤前期含水率愈大, 其膜孔交匯入滲能力愈小, 交匯時間愈大。
 李毅等對覆膜不同開孔程度蒸發條件下土壤水熱變化動態進行了研究。發現 采用垂直一維蒸發實驗系統進行土壤初始含水量均勻的覆膜開孔蒸發實驗,可實現對不同地表覆膜開孔的控制條件下,蒸發過程中土壤含水率和溫度的動態變化規律的認識； 分析了地表覆膜開孔率不同時,蒸發的剖面溫度動態變化及蒸發結束的溫度分布特征。土溫和土體溫度梯度均可表示為深度的指數函數形式；蒸發速率隨時間變化趨勢可用冪函數形式；不同覆膜開孔率的控制條件下蒸發的累積蒸發量均與時間平方根呈線性關系,這一結論符合Gardner 關于一維裸土蒸發的理論關系;進一步分析可建立覆膜開孔率和時間表示的累積蒸發量模型,從而將Gardner 的蒸發理論應用于覆膜開孔蒸發,在實驗研究基礎上發展了其理論關系,拓展了該關系的應用途徑。此外,相對累積蒸發量和單位膜孔面積的累積蒸發量均與覆膜開孔率存在定量關系。
1.2 田面綜合糙率系數
 在膜孔灌溉中, 水流在地膜上流動, 通過膜孔滲入土壤, 其衡量田面水流運動阻力的糙率系數量值較露地灌的減小。傳統地面灌溉技術中的水通過整個田面滲入土壤, 入滲界面是連續的, 而膜孔灌溉通過小于整個田面面積5%的膜孔面積滲入作物根系所處的土壤中, 沿畦長方向的入滲面是不連續的, 其糙率系數量值不僅受到田面粗糙程度和作物等的影響, 而且受到膜孔面積大小和膜孔分布等因素的影響。因此, 沿畦長方向上各點的糙率值是不均勻的, 而糙率系數是描述田面水流運動的重要參數之一, 準確確定膜孔灌溉田面綜合糙率系數是進行膜孔灌溉灌水技術要素優化設計的基礎。
 吳軍虎等根據膜孔灌溉田面水流運動特性, 將膜孔灌溉不連續的入滲界面等效概化成均勻連續的透水界面, 對膜孔灌水流推進階段采用四邊形曲線差分網格, 消退階段采用矩形差分網格進行計算, 建立了膜孔灌溉田面水流運動零慣量數學模型, 并將其與優化理論相結合, 提出了確定膜孔灌溉田面綜合糙率系數的優化模型。
1.3 田面水流運動特性
 實踐證明, 膜孔灌溉較常規地面灌溉具有節水、省肥、增產、灌水質量高等特點, 是一種具有廣闊應用前景的節水型地面灌溉新技術。地面灌溉田面水流運動特性研究是進行數值模擬和灌水技術要素設計的基礎，同樣開展膜孔灌溉田面水流運動特性研究也具有重要的理論價值和實際意義。
 吳軍虎等通過大田試驗研究了膜孔灌溉田面水流運動特性, 以及單寬流量與開孔率對水流推進和消退特性的影響。結果表明:
 ① 膜孔灌溉較傳統地面灌溉水流推進速度快; 膜孔灌溉田面水流推進曲線符合冪函數規律; 膜孔灌溉田面水流消退曲線符合一元二次函數規律，即
 tr = ax2 + bx + c
式中tr 為水流消退時間(min) ；a、b、c 為擬合參數。
 ② 膜孔灌溉田面水流前鋒推進速度隨單寬流量的增加而增大, 隨著開孔率的增加而減小。
 ③ 膜孔灌溉最大退水時間隨著單寬流量的增加而減小, 隨著開孔率的增加而增大。
2 膜孔灌溉的特點
 1) 覆膜后阻止了棵間土壤的無效蒸發損失, 增強了土壤的保溫、保墑能力。由于膜孔灌水入滲主要集中于膜下, 在地膜的保護下阻斷了田面土壤水的無效消耗途徑——棵間蒸發。膜下土壤水在常溫下,汽化—凝聚—再回歸的循環過程中變成土壤水。如此反復循環, 延長了灌水周期, 減少了灌水次數,提高了水的利用率。這是膜孔灌溉能夠節水的另一個重要原因。
 2) 膜孔灌溉與一般的覆膜灌溉, 例如膜縫灌、膜溝灌等相比, 其地膜覆蓋率高, 從而降低了溝(畦)田面的糙率, 使膜上水流推進速度加快, 減少了深層滲漏; 一般可節水30%～ 50% , 最高可達70% , 節水效果顯著；在同樣自然條件和農業生產條件下, 作物的灌水定額和灌溉定額都大為減少[ 15 ] , 因此, 膜孔灌溉田間水有效利用率高。
 3) 膜孔灌溉剖面土壤濕潤范圍小, 以根系區域為主, 其他部位仍處于原土壤水分狀態, 其受水面積( 為局部濕潤灌溉) 一般僅為傳統畦灌法灌水面積(為全部濕潤灌溉) 的2%～ 3% , 這樣, 灌溉水被作物充分而有效地利用[ 15 ] , 所以灌溉水的利用率相當高。
 4) 在灌水均勻度方面, 膜孔灌溉不僅可以提高地膜覆蓋沿溝(畦) 方向的灌水均勻度和濕潤土壤均勻度, 同時也可以提高地膜溝(畦) 橫斷面方向上的灌水均勻度和濕潤土壤均勻度。這是因為膜上灌可以通過增開或封堵灌水孔來消除溝(畦) 首尾或其他部位處進水量的大小, 以調整和控制灌水孔數目對灌水均勻度的影響。提高灌水均勻度可以減少田間水的主要損失項——深層滲漏量和棵間蒸發, 以達到節水目的, 還可以使苗齊苗壯, 長勢均勻, 提高肥料的有效利用率, 達到優質高產的目的[ 25 ] , 延伸灌水長度, 可以減少或消滅田間臨時工程及其土地面積, 提高地面利用率, 達到減少投入, 提高效益的目的。
 5) 膜孔灌溉類似于滴灌, 是通過膜孔或專門放苗孔滲入作物根系區土壤內的, 屬于局部灌溉, 灌水強度小, 對土壤結構的破壞作用很小, 土壤疏松不易板結, 通氣性良好, 有利于好氣性細菌繁殖活動, 促進土壤中動植物的分解,以形成易被作物吸收的礦質化合物, 對土壤肥力的有效吸收具有重要作用。
 6) 通過膜孔灌水, 田間土壤含水量的增加量主要集中于膜下。由于膜下土壤含水量大幅度增加, 提高了膜下土壤的熱容量, 有利于農田吸熱和儲熱, 同時也降低了膜側土壤水分蒸發所引起的地熱消耗,使地溫升高, 為作物生長提供了良好的溫度和濕度條件。
3 膜孔灌溉的技術要素
 為保證作物根區土層中具有足夠的滲水量，必須根據不同的地形坡度、土質等因素確定入膜流量、單寬流量、放水時間、改水成數、開孔率、膜孔布置形式和灌水歷時等膜孔灌溉的技術要素。膜孔灌灌水技術要素大小對灌水效果影響很大。
3.1 入膜流量
 膜孔灌溉的入膜流量是指單位時間內進入膜溝或膜畦首端的水量，常以1/s為單位，可采用q=0.001knvw 計算入膜流量。q為入膜流量，又稱灌水強度，即單位時間單位膜寬上的灌水量& ’ ( 1/小時·米)；k為旁側入滲影響系數，它與膜上水深成正比，與膜畦長度成反比，對無旁滲的打埂膜上灌，一般取值為1.46～3.86之間；n為每米膜長上的灌水孔數，包括放苗孔和增設的專用灌水孔的孔數在內；v為土壤的入滲速度，隨灌水次數的增加而減少(cm/小時)；w為放苗孔和專用灌水孔的平均面積(cm2),可用w計算。式中:d為放苗孔或灌水孔直徑(cm);S為孔距（cm）；L為膜溝（畦）長度（cm）；A 為孔口排數，單排孔N=1，雙排孔N=2。
3.2 單寬流量對灌水定額的影響
   單寬流量較小時, 灌水定額隨單寬流量的增大而減小, 但當單寬流量增大到一定程度后,膜孔灌的灌水定額隨單寬流量的增大而增大。這主要是由于在單寬流量較小時, 隨著流量的增加, 田面水層變厚, 沿畦田縱坡方向的作用力增大, 使田面水流推進速度加快, 放水時間縮短, 因而灌水定額減小, 而當流量繼續增大, 田面水深加大, 灌入田間的水量增大, 引起灌水定額增大。所以存在一個最佳流量, 使灌水定額最小。
3.3 開孔率對灌水定額的影響
 膜孔灌田面水流在地膜上流動, 水分通過膜孔滲入過膜孔滲入土壤以滿足作物需水要求, 因此僅占畦田面積很小部分的膜孔面積為其入滲界面。在其它條件基本相同的情況下, 灌水定額隨開孔率的增大而增大。在開孔率很小的范圍內, 這種趨勢增加的很快；當開孔率達到一定值, 灌水定額增加緩慢。
 　 這主要是由于當開孔率較小時, 隨著開孔率的增加, 入滲界面增大, 入滲水量相應增加, 而且畦田的田面糙率也隨著開孔率的增大而增加, 導致田面水流推進速度減慢, 需要較長的放水時間, 因而灌水定額增加。而當開孔率達到一定值后繼續增大時, 盡管糙率繼續變大, 影響水流推進, 但是由于膜孔面積的增大或膜孔間交匯入滲的增加, 造成單個膜孔入滲的側滲量的減少, 導致膜孔入滲量增加的趨勢減緩。因此, 灌水定額增加趨于緩慢, 逐漸接近于同條件下的露地灌灌水定額。
4 膜孔灌溉的形式及其主要技術要素
 膜孔灌溉主要分為膜孔溝灌和膜孔畦灌兩種。
4.1 膜孔溝灌
 膜孔溝灌是將地膜鋪在溝底，作物種植在壟上，水流通過地膜上的專門灌水孔滲入到土埂中。這種技術對隨水傳播的病害有一定的防治作用。膜孔溝灌特別適用于甜瓜、西瓜、辣椒等易受水土傳染病害威脅的作物。果樹、葡萄和葫蘆等作物可以種植在溝坡上，水流可以通過放苗孔浸潤到土壤。灌水溝規格依作物而異。蔬菜一般溝深30～40cm，溝距80～120cm；西瓜和甜瓜的溝深為40～50cm，上口寬80～100cm，溝距350～400cm。專用灌水孔可根據土質不同打單排孔或雙排孔，對輕質土壤打雙排孔，重質土壤打單排孔。孔徑和孔距根據作物灌水量等確定。根據試驗，對輕壤土、壤土孔徑以5mm，孔距為20cm的單排孔為宜。對蔬菜作物入溝流量以1～1.5L/S為宜。甜瓜和辣椒作物嚴禁在高溫季節和中午高溫期間灌水或灌滿溝水，以防病害發生。
4.2 膜孔畦灌
    膜孔畦灌的地膜兩側必須翹起5cm高，并嵌入土埂中。膜畦寬度根據地膜和種植作物的要求確定，雙行種植一般采用寬70～90cm的地膜；三行或四行種植一般采用180cm寬的地膜。作物需水完全依靠放苗孔和增加的滲水孔供給，入膜流量為1～3L/s。該灌水方法增加了灌水均勻度，節水效果好。膜孔畦灌一般適合棉花、玉米和高梁等條播作物。
5 膜孔灌適用范圍
5.1 適用的作物
 特別適用于已經實行了地膜栽培的中耕作物,如棉花、玉米、甜菜、瓜菜等和將要實現地膜栽培的中耕作物,如黃豆、高梁、谷子、綠豆等都適用。對于已經實行了點播的密植作物如春小麥等也可試行。膜孔灌溉還被應用在水稻節水 灌溉中，起到了節水、節能、加快作物生長、提高水稻產量的功效。
 因為現在市場上已有光潔膜、殿粉膜等自粉性塑膜,所以選用地膜時,其齡期應大于灌水期。
5.2 適用地形
 特別適用于大坡降地區,不僅可以防沖,更重要的是可以減少平整土地工程量。膜孔灌要求縱坡要均一,大坡降時,均勻程度差一些影響不大。畦子不能太寬,最好畦底寬1.2m 為限,因為膜孔灌橫坡降要求較嚴,最好i=0,否則高側膜孔不能進水。
6 膜孔灌溉推廣應用中應注意的幾個問題
 1）膜孔灌溉是低定額的局部灌溉，應注意滿足灌水定額的要求。
 2）由于覆膜改變了地面原始狀態，應用時應注意對作物灌溉制度、施肥等進行調整。
 3）較寬的膜孔寬畦灌時，田面橫向應平整和縱向比降要均勻，這樣才能提高膜孔灌溉質量。
 4）殘膜應及時處理，否則將惡化農業生態環境。
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